【土木工程论文】浅议碳纤维等frp在土木工程施工中的应用

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1、【土木工程论文】浅议碳纤维等FRP在土木工程施工中的应用 摘要:纤维增强材料(FRP)从20世纪40年代问世以来，在航空、航天、船舶、汽车、化工、医学和机械等领域得到了广泛的应用。从70年代开始，FRP材料开始在土木结构工程中得到应用，如英国、美国和以色列等国最早将玻璃纤维增强材料(GFRP)作为建筑物或桥梁中的结梅材料。70年代后期，我国也开始对GFRP进行研究。从80年代开始，为了克服粘钢加固中的一些缺点，基于粘钢加固土木工程结构的思想，出现了以FRP替代钢板作为土木工程结构补强加固的新思路。特别是自日本阪神大地震以后，为了修复

2、地震作用下遭受破坏的建筑物和构筑物、加固现役老化结构设施以提高其性能或延长其寿命，FRP加固作为一种有效的解决方法受到了世界各国尤其是发达国家的广泛重视。 关键字:碳纤维,FRP,土木工程 一、FRP材料特点 (1)有很高的比强度，即通常所说的轻质高强，因此采用FRP材料可减轻结构自重。在桥梁工程中，使用FRP结构或FRP组合结构作为上部结构可使桥梁的极限跨度大大增加。理论上，用传统结构材料桥梁的极限跨度在5000m以内，而上部结构使用FRP结构可达8000m以上[7]，有学者已经对主跨长达5000m的FRP悬索桥进行了方案设

3、计和结构分析[8]。在建筑工程中，采用FRP材料的大跨空间结构体系的理论极限跨度要比传统材料结构大2～3倍，因此，FRP结构和FRP组合结构是获得超大跨度的重要途径。本书作者提出的“FRP编织网大跨结构体系”就是一种利用其轻质高强性能的新型结构形式[9]。在抗震结构中，FRP材料的应用可以减轻结构自重，减小地震作用。另外，FRP材料的应用也能使结构的耐疲劳性能显著提高。 (2)有良好耐腐蚀性，FRP可以在酸、碱、氯盐和潮湿的环境中长期使用，这是传统结构材料难以比拟的。在美国每年因钢材腐蚀造成的工程结构损失高达700亿美元，近1／6

4、的桥梁因钢筋锈蚀而严重损坏；加拿大用于修复因老化损坏的工程结构的费用达490亿加元；我国目前因钢材锈蚀而造成的损失也在逐年增加。而在化工建筑、盐渍地区的地下工程、海洋工程和水下工程中，FRP材料耐腐蚀的优点已经得到实际工程的证明。一些发达国家已经开始在寒冷地区和近海地区的桥梁、建筑中较大规模地采用FRP结构或FRP配筋混凝土结构以抵抗除冰盐和空气中盐分的腐蚀，极大地降低了结构的维护费用，延长了结构的使用寿命。 (3)具有很好的可设计性。FRP属于人工材料，可以通过使用不同的纤维材料、纤维含量和铺陈方向设计出各种强度指标、弹性模量以

5、及特殊性能要求的FRP产品。而且FRP产品成型方便，形状可灵活设计。 (4)具有很好的弹性性能，应力应变曲线接近线弹性，在发生较大变形后还能恢复原状，塑性变形小，有利于结构偶然超载后的变形恢复。 (5)FRP产品适合于在工厂生产、运送到工地、现场安装的工业化施工过程，有利于保证工程质量、提高劳动效率和建筑工业化。 (6)其他优势，包括透电磁波、绝缘、隔热、热胀系数小等，使得FRP在一些特殊场合能够发挥难以取代的作用，如雷达设施、地磁观测站、医疗核磁共振设备结构。 2、FRP在土木工程施工中的应用 2.1FRP在工程结构加固

6、补强中的应用 将FRP片材粘贴在构件表面受拉，可以增强构件的受力性能。早在20世纪80年代，这项技术在我国的工程实践中就曾尝试过：云南海孟公路巍山河桥的加固中采用了外贴GFRP内夹高强钢丝的方法，此后湖南溆浦大江口桥、上海宝山飞云桥、广东官汕线郭屋楼桥、韶关地区风村桥以及南京长江大桥引桥等，都采用环氧树脂粘贴玻璃布进行了加固，近年我国还开展了FRP片材加固砌体结构和钢结构的研究和应用，但仍以加固混凝土结构的研究和应用最多。关于FRP片材加固混凝土结构，应用中应注意的关键问题： (1)FRP布缠绕加固混凝土柱，通过约束混凝土提高混

7、凝土强度和变形能力，并可提高柱的抗剪能力。这是FRP布加固混凝土最有效的加固形式，其加固效果已得到国内外大量试验的验证，而且各种FRP片材均有效。但研究表明，FRP对混凝土柱的约束效果与截面形状有很大关系，对于矩形截面柱一般只能提高变形能力和抗剪能力，而对受压承载力的提高有限，正常加固量下一般不超过25O[25。。但如果将截面形状适当处理成有一定弧度，则可显著提高受压承载力。在我国的工程应用中，往往十分关心加固后柱的轴压比限值能否提高，这与约束混凝土柱的受压承载力和变形能力的提高有很大关系，从目前的研究来看，FRP包裹缠绕圆形混凝土

8、可以大大改善其延性，可适当放松轴压比限制[26

9、。另一个值得注意的是，虽然CFRP布的强度是各种FRP中最高的，但其延伸率较小，其约束混凝土最终表现为突然的脆性破坏。近年来已有采用混合FRP约束混凝土的研究[27

10、，还有一些高延伸率纤